Genetic diversity, quantitative genetic traits, intrapopulation genetic variability, interapopulation genetic diversity, levels and patterns ofquantitative genetic differentiation, genotype by environment interaction,molecular genetic analysis, nuclear and chloroplast microsatellite DNA markers

Abstract

Genetska raznolikost (varijabilnost, diverzitet) temeljni je dio ukupne biološke raznolikosti, a predstavlja bogatstvo različitih alela odnosno gena narazinama jedinki, populacija odnosno vrsta. Veća razina genetske raznolikosti omogućava populacijama veći kapacitet prilagođavanja putem prirodneselekcije i zbog toga je važan preduvjet njihova opstanka u promjenjivomokolišu. Stoga su upoznavanje i očuvanje genetske raznolikosti izuzetnovažne aktivnosti za dugoročni opstanak vrsta šumskog drveća, posebice onihkoje su nositelji ekosustava.Utvrđivanje razine, obrasca i uzroka genetske raznolikosti kod vrsta šumskog drveća moguće je putem dvaju metoda, a to su: 1. analizom kvantitativnih fenotipskih svojstava u genetičkim testovima i 2. analizom DNK biljega. Glavni cilj ovoga rada bio je utvrditi razinu i obrazac genetske raznolikosti populacija hrasta lužnjaka u Hrvatskoj korištenjem obje dostupne metode.Na tri različite lokacije osnovani su genetički testovi s potomstvom hrasta lužnjaka iz 16 sjemenskih i jedne gospodarske sastojine, kojereprezentiraju cjelokupan areal ove vrste u Hrvatskoj. Provedene su izmjere i ocjenjivanje raznovrsnih kvantitativnih fenotipskih svojstava: visinskog rasta,visinskog prirasta, preživljenja, zimske retencije lišća, intenziteta zaraze hrastovom pepelnicom, intenziteta oštećenosti biljaka kasnim proljetnim mrazem i fenologije listanja. Analizom varijance utvrđena je statistička značajnost ispitivanih izvora varijabilnosti (blokova, populacija, familija unutar populacija, interakcije blokova s populacijama i familijama), te su izračunati kvantitativni genetički parametri: nasljednost (individualna (h2i) i familijska (h2f)), koeficijent aditivne genetske varijacije (CVA) i parametar kvantitativne genetskediferencijacije (QST). Determinacija obrasca genetske diferencijacijeprovedena je multivarijatnom regresijskom stabalnom analizom (engl.Multivariate Regression Tree analysis MRT).Vrijednosti CVA i nasljednosti bile su kod većine svojstava niske, štoupućuje na nisku razinu unutarpopulacijske genetske varijabilnostiistraživanih populacija. Međutim vjerojatno je da su niske vrijednostigenetičkih parametara bile uzrokovane visokom varijancom ostatka tj.neaditivnom genetskom i okolišnom varijancom uključujući i varijancueksperimentalne pogreške. Stoga, izračunati genetički parametri nisuIIdovoljno pouzdani za konačan zaključak o razini unutarpopulacijske aditivnegenetske varijabilnosti hrasta lužnjaka u Hrvatskoj.Izračunati QST parametari ukazuju na značajnu kvantitativnu genetskudiferencijaciju istraživanih populacija hrasta lužnjaka i to vrlo vjerojatnouslijed djelovanja prirodne selekcije, na što je ukazala visina vrijednostiparametara.Determinacija obrasca kvantitativne genetske diferencijacije pokazala jekako su se populacije razdvojile s obzirom na relativnu humidnost i toplinustaništa iz kojeg potječu. Populacije iz suših i toplijih staništa imale su boljekarakteristike za ispitivana svojstva u pokusnim nasadima Jastrebarsko iKoška, jer su klimatske prilike u tim pokusnim nasadima tijekom analiziranogperioda više odgovarale originalnim stanišnim prilikama tih populacija. Sdruge strane, populacije koje potječu i iz relativno humidnijih i iz relativnoaridnijih staništa imale su bolje karakteristike visinskog rasta i preživljenja upokusnom nasadu Vrbanja.Genetska udaljenost između populacija izračunata analizama jezgrinihmikrosatelitnih biljega ukazuje kako većina populacija nije genetski značajnoudaljena. Ipak, utvrđeno je da su populacije HR 609 i HR 387 nešto višegenetski udaljene od ostalih. Kod tri populacije (HR: 609, 387 i 577) uočen jenedostatak očekivane heterozigotnosti, te visok FIS parametar, ukazujući nakrižanje u srodstvu.Analizom molekularne varijance (AMOVA) utvrđena je visokaunutarpopulacijska raznolikost, te statistički značajna komponenta varijanceuzrokovana razlikama između populacija, ukazujući na postojanje neutralnegenetske diferencijacije. Ipak, međupopulacijska diferencijacija zauzimala jesamo 1,47% ukupne raznolikosti, što ukazuje na snažan utjecaj migracijagena između populacija. Uz proces prirodne migracije gena (posebicepeludom) vrlo je vjerojatan i antropogeni utjecaj prijenosom šumskogreprodukcijskog materijala.Prostorna udaljenost ima signifikantan udio u raspodjeli genetičkeraznolikosti. Ukupno 19,6% genetske diferencijacije između analiziranihpopulacija može se objasniti njihovom prostornom udaljenošću (IBD), asrodnost jedinki se gubi nakon 240 km međusobne udaljenosti. Ipak,faktorijalnom analizom korespodencije nije utvrđena prava zemljopisnarazdvojenost populacija.Analizom kloroplastnih mikrosatelitnih biljega ukupna procijenjenaraznolikost svih populacija bila je velika. Utvrđena raznolikost izmeđupopulacija analizom molekularne varijance (AMOVA) bila je statističkivisoko značajna i veća od unutarpopulacijske raznolikosti. Također, jeustanovljeno postojanje 66 haplotipova u istraživanim populacijama, koji susvrstani u tri rodoslovne linije: linija L2 koja ujedno sadržava i najveći brojhaplotipova prostire se od istoka prema zapadu, linija L1 najviše jezastupljena u zapadnom dijelu rasprostranjenja hrasta lužnjaka u Hrvatskoj,dok L3 zauzima središnji dio areala.Genetic diversity (i.e. variability) is the basic part of the biological diversityand represents reaches of the alleles and genes of individuals, populations andspecies. Higher level of genetic diversity in populations able them highercapacity for adjustment through natural selection, and therefore it is animportant part for their survival in a changing environment. Therefore, learnand preserve genetic diversity is extremely important for long-term survivalof forest tree species, especially those which are the carriers of ecosystem.Determination of level, pattern and causes of genetic diversity in forest treesspecies is possible by two methods: 1. the analysis of quantitative phenotypictraits in genetic field trials, and 2. by analysis of DNA markers. The mainobjective of this study was to determine the level and pattern of geneticdiversity of pedunculate oak populations in Croatia using both availablemethods.Three genetic field trials (Jastrebarsko, Koška and Vrbanja) were establishedon different locations with progeny from 16 seed stands and one normalmanaged stand, representing the distribution range of pedunculated oak inCroatia. Measurements of quantitative phenotypic traits such as height,survival, winter leaf retention, intensity of infection with powdery mildew,intensity of late spring frost damages and phenology were conducted todeterminate genetic diversity and differentiation.Statistical significance of analyses of variance was calculated for sources ofvariability: blocks, populations, family within populations, interaction ofblocks with populations and families. Based on percentage of variancecomponents from ANOVA, heritability (individual (h2i) and family (h2f))coefficient of additive genetic variation (CVA) and parameter of quantitativegenetic differentiation (QST) were calculated. Multivariate regression treeanalysis (MRT) was used to determine the pattern of genetic differentiation.Heritability (individual (h2i) and family (h2f)) and coefficient of additivegenetic variation (CVA) were low for almost all quantitative traits indicating alow level of intrapopulation genetic variability. However, low additivegenetic variation was probably caused by high variance residual in ANOVA Considering that calculated genetic parameters are not reliable enough forfinal conclusion about level of intrapopulation genetic variability inpopulations of pedunculated oak in Croatia.High QST parameter reveals significant differences between populations,which confirm their genetic differentiation probably caused by naturalselection. Statistical significance level for interaction effect of populationswithin blocks indicates a certain level of phenotypic plasticity for analyzedpopulations. Populations were clustered according to relative humidity andtemperature of habitat of origin.Populations originating from more arid habitat showed higher phenotypiccharacteristics for survival and height in trials Jastrebarsko and Koška,probably because climatic in this field trials were favorable for populationoriginating from more aridic habitat. Populations originating from morehumid habitats and also from relatively arid habitats had the higher survivaland height in field trial Vrbanja.Analysis with nuclear microsatellite markers showed a low level of geneticdiversity between populations. Populations HR 609 and HR 387 are morediverse form other populations. Three populations (HR: 609, 387 and 577)have high FIS parameter indicating inbreeding.Analysis of molecular variance (AMOVA) determine high level ofintrapopulation diversity, also a statistically significance percentage ofvariance between populations indicate a neutral genetic differentiation.However, established interpopulation differences were only 1.47% of overalldifferences, referring to high migration of genes between populations. Besidethe natural gene flow (especially by pollen), the highly plausible isanthropogenic influence by moving of forest reproductive material.Total of 19.6% of genetic differentiation among populations can be explainedwith isolation by distance (IBD). Relatedness of individuals is lost after 240km mutual distance.Analysis with chloroplast microsatellite markers gave high overall diversityof populations. Diversity between populations in AMOVA was statisticalyhighly significant, higher than intrapopulation diversity. Also, 66 haplotypeswas determined, origination in three lines: line L2, with highest number ofhaplotypes extends from east to west, line L1 prevails in western part ofdistribution range, while line L3 is concentrated in central part